دانشگاه آزاد اسلامی
واحد خمینی شهر
دانشکده مکانیک
پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد “M.Sc”
مهندسي مکانیک- گرایش تبدیل انرژی
عنوان :
تحلیل عددی و آزمایشگاهی آیرودینامیک یک توربین بادی محور قائم ساونیوس
استاد راهنما :
دکتر سعید رسولی
استاد مشاور :
دکتر بابک مهماندوست
نگارش:
اسماعیل فتاحیان
تابستان 1393
تشکر و قدردانی
گرچه داشتن انسانهای توانمند و معتقد با باورهای مشترک باعث رشد و توسعه می‌گردد. ما اکنون در دنیایی زندگی می کنیم که با شتاب در حال تغییر و تحول است بنابراین باید از امکانات، سرمایه و منابع محدود خود به طرز بهینه استفاده کنیم. افرادی هستند که علوم را از بهترین منابع دریافت و پس از تجزیه و تحلیل آن خود به تولید علم پرداخته و با یک تحلیل منطقی به جامعه ارائه می دهند اساتید جزء روشنفکران جامعه به حساب می آیند روشنفکری در معنای عالم خود گامی به سوی آزادی داشتن تلقی می شود.
بدین وسیله از همه اساتید معظم و بزرگواری که در دوران تحصیلم از آنها آموخته ام سپاسگزاری نموده و در برابر ایشان سر تعظیم فرود آورده و برای یکایک این عزیزان از درگاه خداوند منان طلب سلامتی و آرزوی موفقیت روزافزون دارم. خصوصاً استاد فرزانه، جناب آقای دکتر رسولی که قبول زحمت فرموده و با راهنمایی‌های دقیق و عالمانه، در این تحقیق یاری‌ام فرموده‌اند، که بی‌وجود رهنما، پیمودن راه غیرممکن است. و از جناب آقای دکتر مهماندوست، استاد مشاور محترم، کمال تشکر و سپاس را دارم.
تقدیم به
مادرم
دریای بیکران فداکاری و عشق

پدرم
حامی من در تمام مراحل زندگی
چکيده
در این پایان نامه تحلیلی تجربی به همراه شبیه سازی عددی جهت بررسی عملکرد توربین بادی محورقائم ساونیوس به انجام شده است. جهت انجام آزمایشات توربین ساخته شده در تونل باد مادون صوت تحت آزمایش قرار گرفت. به منظور بررسی دقت آرمایشات هر آزمایش در هر سرعت باد سه مرتبه تکرار شد که نتایج انطباق خوبی با هم داشتند. شبيهسازي عددی به کمک نرمافزار Fluent 6.3 با استفاده از مدل k-ω SST و با استفاده از روش محورهاي مختصات مرجع چندگانه (MRF)انجام شده است. گشتاور، ضریب توان، توزیع تنش و فشار بر روی پره های توربین مورد مطالعه قرار گرفته اند. جهت بررسی صحت و دقت نتایج عددی حاصل شده از اصول ديناميک سيالات محاسباتي (CFD)، مقایسه با نتایج آزمایشگاهی تونل باد استفاده شده است. نتايج حاکي از آن است که نتایج عددی و تجربی دارای مطابقت خوبی هستند و در بیشترین میزان خطا در نقطه ی بیشینه ضریب توان 6درصد خطا بین نتایج ما وجود دارد. نتایچ عددی نشان داد که فشار استاتیک و تنش برشی با افزایش سرعت زاویه ای و همچنین سرعت باد افزایش می یابند.
واژگان کليدي: انرژي بادي، توربين بادي محور قائم ساونیوس، ديناميک سيالات محاسباتي ، گشتاور، ضريب توان.
فهرست جدول‌ها
عنوان شماره صفحه
جدول 3-1- مشخصات و ابعاد اجزای تشکیل دهنده توربین ساونیوس 54
جدول 51 مقدار ثوابت معادلاتِ لزجت گردابهای، k و ε 86
جدول 5-2 ضریب توان در شبکه بندی های مختلف V=5.5 m/s λ=0.4 91
جدول 5-3 مقایسه نتایج عددی و آزمایشگاهی ضریب توان درسرعت باد m/s 5.5 93
جدول 5-4 مقایسه نتایج عددی و آزمایشگاهی ضریب توان درسرعت باد m/s 7.5 93
فهرست شکل‌ها
عنوان شماره صفحه
شکل 1-1 نمونه ای از آسیاب های بادی قدیمی 16
شکل 1-2 آنمومترجهت اندازه گیری سرعت باد 18
شکل 1-3 میزان ظرفیت بادی نصب شده از سال 1996 تا سال 2012 در جهان 28
شکل 1-4 پیش بینی ظرفیت نصب شده تا سال 2017 به تفکیک قاره های مختلف 29 شکل 2-1 نیروهای وارد بر پره توربین بادی 33
شکل 2-2-الف تصویر یک توربین محور قائم برا 35
شکل 2-2-ب تصویر یک توربین محور افقی برا 35
شکل 2-3 نمونه ای ازتوربین بادی محور قائم و افقی 39
شکل 2-4 اجزاءتوربین بادی محور افقی 44
شکل 2-5 شماتیک یک توربین بادی ساونیوس و مکانیزم عملکرد 47
شکل 2-6 مشخصه های عملکردی یک توربین بادی ساونیوس 49
شکل 2-7 توربین کلاسیک داریوس از نوع تخم مرغی شکل 50
شکل 2-8 انواع روتورهای داریوس 50
شکل 2-9 شماتیک و مکانیزم عملکرد توربین H-روتور 51
شکل 3-1 شماتیک ساختمان روتور ساونیوس و عمل آن در مقابل باد 55
شکل 3-2 بلبرينگ استفاده شده در توربین 55
شکل 3-3 سازه نگه‌دارنده و توربين ساونیوس ساخته شده 56
شکل 3-4 ابعاد و بخش های اصلی تونل باد مادون صوت استفاده شده 57
شكل 3-5 تصویراز اینورتر تونل باد مادون صوت 58
شكل 3-6 فن تونل باد مادون صوت استفاده شده 58
شكل 3-7 نمودار تغییرات فشار دینامیک در عرض مقطع تست 59
شكل 3-8 نمودار تغییرات پروفیل سرعت باد در عرض مقطع تست 59
شکل 3-9 به ترتیب از راست به چپ، بادسنج، دورسنج و گشتاورسنج استفاده شده در آزمایش 61
شکل3-10 توربین ساونیوس مورد آزمایش در تونل باد 62
شکل 11-3 بررسی گشتاور توربین ساونیوس و دقت انجام آزمایش در سرعت باد 5.5 متر بر ثانیه 64
شکل 12-3 بررسی ضریب توان توربین ساونیوس و دقت انجام آزمایش در سرعت باد 5.5 متر بر ثانیه 64
شکل 13-3 بررسی گشتاور توربین ساونیوس و دقت انجام آزمایش در سرعت باد 7.5 متر بر ثانیه 65
شکل 14-3 بررسی ضریب توان توربین ساونیوس و دقت انجام آزمایش در سرعت باد 7.5 متر بر ثانیه 65
شکل 3-15- مقایسه ی نتایج تحقیق حاضر با مرجع (38) 66
شکل 4-1 دامنه محاسباتی 70
شکل 4-2 نمای کل مش زنی در هندسه سنتی 72
شکل4-3 سلول نمونه 74
شکل 5-1 روند هم گرايي يکي از مدل‌ها در نرم افزار فلوئنت 89
شکل 5-2 تغییرات فشار استاتیک روی دو طرف پره های توربین ساونیوس 95
شکل 5-3 توزیع تنش برشی روی پره های روتور ساونیوس 96
شکل 5-4 (الف) توزیع سرعت اطراف روتور ساونیوس 97
شکل 5-4 (ب) توزیع سرعت اطراف روتور ساونیوس 98
شکل 5- 4 (ج) توزیع سرعت اطراف روتور ساونیوس 99
فهرست علايم و نشانه‌ها
عنوانعلامت اختصاري
چگالي هواρ
سرعت زاويهاي چرخش روتورω
ويسكوزيته (لزجت)μ
لزجت گردابهايtμ
نرخ پراكندگي انرژي جنبشي اغتشاشε
توان خروجيP
سرعت بادV
ضريب توانCP
نيروي ليفت (برا)L
وتر ايرفويلC
ضريب فشارKp
تعداد پره‌هاي توربينNb
نسبت سرعت نوک پرهλ
ضريب توان توربينCp
دبي جرمي هوا(m/s)m ̇
قطر توربين(m)D,d
تنش لزجي(N/m2)(τ_r ) ̿
ارتفاع توربين(m)H
ضريب گشتاورCm
سرعت نسبي بادUrel
جزء نيروي ليفت (برا)dFL
جزء نيروي درگ (پسا)dFD
جزء نيروي عمود بر صفحه چرخش روتور dFN
جزء نيروي موازي صفحه چرخش روتورdFT
ضريب ليفت (برا)CL
ضريب درگ (پسا)CD
تنشτ
كرنشσ
سطح جاروب شده توربين] m2 [Ap
ضخامتTp
جابجايي (تغيير طول)u
نيروf
فشار استاتيكP
نيروهاي خارجي وارد بر جسمF
ديناميک سيالات محاسباتيCFD
معادلات ناوير-استوکسNS
معادلات ناوير-استوکس متوسطگيري شده‌ي رينولدزRANS
انرژي جنبشي اغتشاشk
فريم مرجع متحرکMRF
فهرست مطالب
فصل اول13
1-1 مقدمه14
1-2 منشا باد14
1-3 تاریخچة باد15
1-4 توزیع سرعت باد16
1-5 منابع بادی17
1-6 تولید باد18
1-7 ضریب ظرفیت20
1-8 محدودیت‌های ادواری و نفوذ21
1-9 پیش‌بینی پذیری22
1-10 باد و محیط زیست22
1-11 انتشار آلودگی23
1-12 مزارع بادی24
1-12-1 استفاده از زمین24
1-13 برق بادی در مقیاس‌های کوچک25
1-14 پتانسیل انرژی بادی در محیط های شهری26
1-15 وضعیت برق بادی در جهان27
1-16 مساله مورد بحث در پایان نامه ، اهداف و نحوه انجام تحقیق29
فصل دوم31
2-1 مقدمه32
2-2 آیرودینامیک توربین و کمیت های تاثیرگذار در عملکرد آن32
2-2-1 نیروی برا32
2-2-2 نیروی پسا33
2-2-3 عدد رینولدز36
2-2-4 صلبیت توربین36
2-2-5 ضریب سرعت نوک پره36
2-2-6 بازدهي و توان توربينهاي بادي37
2-3 انواع توربینهای بادی38
2-3-1 توربینهای محور افقی39
2-3-2 توربینهای محور قائم44
3-1 مقدمه53
3-2 ساخت توربين53
3-2-1 ساخت توربين ساونیوس54
3-3 آزمايش توربين در تونل باد57
3-4 نحوه ی قرار گیری توربین در تونل جهت آزمایش62
3-5- نتایج آزمایش63
فصل چهارم67
4-1 مقدمه68
4-2 پیش پردازنده69
4-3 مدل ریاضیاتی69
4-4 تولید سلولهای محاسباتی70
4-5 وضوح مش73
4-6- کیفیت مش74
4-7 صافی یا همواری سلول ها75
فصل پنجم76
5-1 مقدمه77
.77
5-2 شرایط مرزی در نرم افزار فلوئنت77
5-2-1 جریان خروجی و ورودی78
5-2-2 شرط مرزی دیوار79
5-2-3 شرط سیال79
5-2-4 شرایط مرزی به کار گرفته شده79
5-3 معادلات حرکت80
5-5 مدلسازي جريانهاي آشفته81
5-6 معادلات ناويراستوكس متوسطگیری شدۀ رينولدز(RANS) 82
5-7 مدل k-εاستاندارد85
5-8 مدل k-ω SST87
5-9 ناحيهي محاسباتي و شرايط مرزي87
5-10 همگرايي حل88
5-11انتخاب روشهاي حل89
5-12 محاسبه توان90
5-13 نتایج عددی91
5-13-1 بررسی استقلال از شبکه91
5-13-2 مقایسه نتایج عددی با آزمایشگاهی92
5-13-3 توزیع فشار93
5-13-4 توزیع تنش برشی94
5-13-5 کانتورهای سرعت97
فصل ششم100
6-1 نتيجه گيري101
6-2 پيشنهادات101
مراجع103
فصل اول
مقدمه

1-1 مقدمه
با توجه به تمایل جهانی برای کاهش گازهای گلخانه ای و تامین انرژی پایدار که پاسخگوی نیاز روزافزون بشر به انواع انرژی باشد، تلاش های بسیاری در جهت توسعه انرژی های تجدیدپذیر در دست انجام است. انرژی بادی به عنوان یکی از قابل اعتماد ترین انواع انرژی دارای پیشینه ای کهن بوده که در چند دهه اخیر به منظور ساخت نیروگاه های عظیم استفاده از آن رونق چشمگیری داشته است. این امر موجب شده تا مطالعات زیادی بروی انواع توربین های بادی انجام شود. در این فصل مقدمه ای از انرژی باد و برخی مفاهیم کاربردی و مورد نیاز راجع به برق بادی و مزارع بادی توضیح داده می شوند. همچنین به وضعیت ظرفیت نیروگاه های بادی نصب شده در جهان از گذشته تا کنون و همچنین پیش بینی وضعیت برق بادی تا سال 2017 نگاهی خواهیم داشت. در پایان نیز به شرح و تفصیل هدف از انجام این پایان نامه و نیز فصل های موجود در آن خواهیم پرداخت.
1-2 منشا باد
منشا باد یک موضوع پیچیده‌است. از آنجاییکه زمین بطور نامساوی به وسیله نور خورشید گرم می‌شود بنابراین در قطب‌ها انرژی گرمایی کمتری نسبت به مناطق استوایی وجود دارد همچنین درخشکی‌ها تغییرات دما با سرعت بیشتری انجام می‌پذیرد و بنابراین خشکی‌های زمین نسبت به دریاها زودتر گرم و زودتر سرد می‌شوند. این تفاوت دمای جهانی موجب به وجود آمدن یک سیستم جهانی تبادل حرارتی خواهد شد که از سطح زمین تا هوا کره، که مانند یک سقف مصنوعی عمل می‌کند، ادامه دارد. بیشتر انرژی که در حرکت باد وجود دارد را می‌توان در سطوح بالای جو پیدا کرد جایی که سرعت مداوم باد به بیش از ۱۶۰ کیلومتر در ساعت می‌رسد و سرانجام باد انرژی خود را در اثر اصطکاک با سطح زمین و جو از دست می‌دهد.
یک برآورد کلی اینگونه می‌گوید که ۷۲ تراوات (TW) انرژی باد بر روی زمین وجود دارد که پتانسیل تبدیل به انرژی الکتریکی را دارد و این مقدار قابل ترقی نیز هست.
به همین طریق بادهای بزرگ جوی که زمین را دور می‌زنند، به علت اینکه هوای سطحی نزدیک استوا در اثر گرمای خورشید بیشتر از هوای قطب شمال و جنوب گرم شده، بوجود می‌آیند. از آنجا که باد تا زمانیکه خورشید به زمین می‌تابد، بطور پیوسته تولید خواهد شد، آنرا منبع انرژی تجدید شونده می‌نامند. امروزه، انرژی بادی عمدتاً برای تولید برق بکار برده می‌شود.
1-3 تاریخچة باد
در طی تاریخ، انسان ها باد را به شیوه‌های مختلف به کار بردند. بیش از پنج هزار سال پیش، مصریان باستان از نیروی باد برای راندن کشتی‌های خودروی رود نیل استفاده کردند. بعد از آن، انسان آسیاب بادی را برای آسیاب کردن بذر خود ساخت. جدیدترین آسیاب بادی متعلق به ایران است. این آسیاب شبیه به پاروهای بسیار بزرگ بوده است.
قرن‌ها بعد، مردم هلند طرح پایة آسیاب بادی را بهبود دادند. آنها تیغه‌های پروانه مانند ساخته شده از پره‌های نو به آسیاب بادی اضافه کردند و روشی برای تغییر جهت آن مطابق با جهت باد ابداع کردند. آسیاب‌های بادی به هلندی‌ها کمک کردند که در قرن 17 صنعتی ترین کشور جهان باشند.
شکل 1-1 نمونه ای از آسیاب های بادی قدیمی
برخی از کشورها آسیاب‌های بادی را برای آسیاب گندم و ذرت، پمپ کردن آب و قطع درختان به کار می‌بردند. در سال 1920 در کشورهای توسعه یافته آسیاب های کوچک را برای تولید برق روستایی به کار می بردند. در سال 1930 زمانیکه خطوط نیرو شروع به انتقال برق از نواحی روستایی کرد، آسیابهای محلی کمتر و کمتر شدند، اگرچه در حال حاضر نیز می‌توان آنها را دید.
ذخایر نفت در سال 1970 تصویر انرژی را برای کشورهای جهان عوض کرد. این امر محیطی بازتر برای منابع جایگزین انرژی خلق کرد و راه را برای ورود مجدد آسیاب‌های بادی به چشم انداز آمریکایی در تولید برق هموار کرد.
1-4 توزیع سرعت باد
میزان باد دائماً تغییر می‌کند، میزان متوسط مشخص شده برای یک منطقه خاص صرفاً نمی‌تواند میزان تولید توریبن بادی نصب شده در آن منطقه را مشخص کند. برای مشخص کردن فراوانی سرعت باد در یک منطقه معمولاً از یک ضریب توزیع در اطلاعات جمع‌آوری شده مربوط به منطقه استفاده می‌کنند. مناطق مختلف دارای مشخصه توزیع سرعت متفاوتی هستند. مدل رایلی1 به طور دقیقی میزان ضریب توزیع سرعت در بسیاری مناطق را منعکس می‌کند.
از آنجاییکه بیشتر توان تولیدی در سرعت بالای باد تولید می‌شود، بیشتر انرژی تولیدی در بازه‌های زمانی کوتاه تولید می‌شود. بر طبق الگوی لی رنچ نیمی از انرژی تولیدی تنها در ۱۵٪ از زمان کارکرد توربین تولید می‌شود و در نتیجه نیروگاه‌های بادی مانند نیروگاه‌های سوختی دارای تولید انرژی پایداری نیستند. تاسیساتی که از برق بادی استفاده می‌کنند باید از ژنراتورهای پشتیبانی برای مدتی که تولید انرژی در توربین بادی پایین است استفاده کنند.
1-5 منابع بادی
بهترین محل برای نصب یا ساخت دستگاه بادی کجاست؟ میانگین سرعت باد برای به صرفه بودن تبدیل انرژی باد به برق حدود 23 کیلومتر در ساعت است. میانگین سرعت باد در برخی از کشورها16 کیلومتر در ساعت است. به علت دسترسی آسان به باد با دوام و همیشگی، برخی شرکت‌ها نصب ماشینها را در مناطق و دور از ساحل مدنظر دارند.
دانشمندان از وسیله‌ای به نام آنمومتر2 برای اندازه‌گیری سرعت باد استفاده می‌کنند. آنمومتر شبیه یک بادنمای هواشناسی با ظاهری مدرن است. این وسیله سه پره با فنجان‌هایی در سر آن ها و روی میلة چرخانی که با وزش باد می‌چرخد دارد. این وسیله به متری وصل است که سرعت باد را نشان می‌دهد. یک بادنما جهت باد را نشان می‌دهد اما سرعت باد را نشان نمی‌دهد. براساس یک قانون طبیعی سرعت باد در نواحی پهناور و بدون وقفه در وزش باد، با عرض جغرافیایی افزایش می‌یابد. مکانهایی مناسب برای دستگاههای بادی بالای تپه‌های گرد و صاف، دشت یا سواحل باز و فواصل کوهی که مثل قیف عمل می‌کنند، هستند .
شکل 1-2 آنمومترجهت اندازه گیری سرعت باد
1-6 تولید باد
چقدر می‌توانیم از باد انرژی بدست آوریم؟ دو اصطلاح وجود دارد که تولید پایة برق را توضیح می‌دهد. عامل کارایی و عامل گنجایش. کارایی به این موضوع بر می‌گردد که چقدر می‌توان انرژی مفید (در این مورد، برق) از منبع انرژی کسب کرد. یک ماشین انرژی صد درصد کارا، می‌تواند تمام انرژی را به انرژی مفید تبدیل کند و هیچ انرژی را هدر نمی‌دهد هیچ ماشین با کارایی یا بهره وری صد درصد وجود ندارد. بعضی انرژی‌ها همیشه وقتی که شکلی از انرژی به شکل دیگر تبدیل می‌شود، از دست می‌روند. انرژی هدر رفته معمولاً به شکل گرمای پراکنده شده در هوا است و نمی‌توان از آن بهرة اقتصادی مجدد برد. ماشین‌های بادی چقدر کارایی دارند؟ ماشینهای بادی تنها به اندازة دستگاههای دیگر مانند دستگاه های زغال بهره وری دارند. ماشین‌های بادی معمولا 20 تا 40 درصد انرژی متحرک باد را به برق تبدیل می‌کند، یک دستگاه مولد نیروی زغال سوز، حدود 30 تا 35 درصد انرژی شیمیایی زغال را به الکتریسیتة قابل استفاده تبدیل می‌کند
واژة گنجایش به توانایی دستگاه نیرو در تولید برق بر می‌گردد. یک دستگاه نیرو با گنجایش صد درصد تمام روز و هر روز هفته با تمام نیرو کار می‌کند. در چنین شرایطی هیچ وقتی برای تعمیر یا سوختگیری صرف نمی‌شود که اینچنین چیزی برای هر دستگاهی غیرممکن است. مشخصاً دستگاههای زغالی اگر تمام روزهای سال و بطور شبانه روزی کار کنند، دارای ظرفیت 75 درصد خواهند بود.
دستگاههای نیروی باد متفاوت از دستگاههای مولد نیروی سوخت سوز هستند. بهره‌وری آنها به میزان باد و میزان سرعت باد بستگی دارد. بنابراین ماشین‌های بادی نمی‌توانند در طول سال بطور 24 ساعته کار کنند. یک توربین بادی در یک مزرعة بادی شاخص در 65تا 80 درصد زمان کار می‌کند، اما معمولاً کمتر از گنجایش کامل خود، زیرا سرعت باد همیشه در بیشترین مقدار خود نیست. بنابراین عامل گنجایش 30 تا 35 درصد است.
یک ماشین بادی می‌تواند 5/1 تا 4 میلیون کیلو وات ساعت برق در سال تولید کند. این میزان برق برای 150 تا 400 خانه در سال کافی‌ست.
در سه سال گذشته گنجایش باد کل جهان بیش از دو برابر شده است. متخصصان انتظار دارند در چند سال بعد، تولید انرژی از ماشینهای بادی، سه برابر شود. چین، هند و بسیاری از کشورهای اروپایی در حال برنامه‌ریزی برای تأسیس صنایع بادی جدید هستند. سرمایه گذاری روی انرژی بادی به علت هزینة کم و تکنولوژی در حال پیشرفتش در حال افزایش است. باد در حال حاضر یکی از رقابتی‌ترین منابع برای تولید است.
نشانة امیدوار کنندة دیگر برای صنعت بادی تقاضای مصرف کننده برای انرژی‌های سبز انرژی‌هایی که به محیط زیست آسیبی نمی‌رسانند است. بسیاری از شرکت‌های خدماتی به تازگی به مصرف کنندگان اجازه داده که به طور داوطلبانه برای برق تولید شده از منابع تجدیدپذیر پول بیشتری بدهند.
1-7 ضریب ظرفیت
تا زمانی که سرعت باد ثابت نباشد تولید سالیانه انرژی الکتریکی توسط نیروگاه بادی هرگز برابر حاصل ضرب توان تولیدی نامی در مجموع ساعت کار آن در یک سال نخواهد شد. نسبت میزان توان حقیقی تولید شده توسط نیروگاه و ماکزیمم ظرفیت تولیدی نیروگاه را ضریب ظرفیت می‌نامند. یک نیروگاه بادی نصب شده در یک محل مناسب در ساحل ضریب ظرفیتی سالیانه‌ای در حدود ۳۵٪ دارد. برعکس نیروگاه‌های سوختی ضریب ظرفیت در یک نیروگاه بادی به شدت به خصوصیات ذاتی باد وابسته‌است. ضریب ظرفیت در انواع دیگر نیروگاه‌ها معمولاً به بهای سوخت و زمان مورد نیاز برای انجام عملیات تعمیر بستگی دارد. نیروگاه‌هایی که از توربین‌های گاز طبیعی برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌کنند به علت پر هزینه بودن تامین سوخت معمولاً تنها در زمان اوج مصرف به تولید می‌پردازند. به همین دلیل ضریب ظرفیت این توربین‌ها پایین بوده و معمولاً بین ۵-۲۵٪ می‌باشد.
بنا به یک تحقیق در دانشگاه استنفورد که در نشریه کاربردی هواشناسی و اقلیم‌شناسی نیز به چاپ رسیده در صورت ساخت بیش از ده مزرعه بادی در مناطق مناسب و به طور پراکنده می‌توان تقریباً از یک سوم انرژی تولیدی آنها برای تغذیه مصرف کننده‌های دائمی استفاده کرد.
1-8 محدودیت‌های ادواری و نفوذ
میزان انرژی الکتریکی تولیدی توسط نیروگاه‌های بادی می‌تواند به شدت به چهار مقیاس زمانی ساعت به ساعت، روزانه و فصلی وابسته باشد. این میزان به تحولات آب و هوایی سالیانه نیز وابسته‌است اما تغییرات در این مقیاس زیاد محسوس نیستند. از آنجایی که برای ایجاد ثبات در شبکه، میزان انرژی الکتریکی تامین شده و میزان مصرف باید در تعادل باشند از این جهت تغییرات دائم در میزان تولید این ضرورت را به وجود می‌آورد که از تعداد بیشتری نیروگاه بادی برای تولیدی متعادل‌تر در شبکه استفاده شود. از طرفی ادواری بودن طبیعی تولید انرژی باد موجب افزایش هزینه‌های تنظیم و راه اندازی می‌شود و (در سطوح بالا) ممکن است نیازمند اصول مدیریت تقاضای انرژی یا ذخیره‌سازی انرژی باشد.
از ذخیره‌سازی با استفاده از نیروگاه‌های آب تلمبه‌ای یا دیگر روش‌ها ذخیره سازی برق در شبکه می‌توانند برای به وجود آوردن تعادل در میزان تولید نیروگاه‌های بادی استفاده کرد اما در مقابل استفاده از این روش‌ها موجب افزایش ۲۵٪ هزینه‌های دائم اجرای چنین طرح‌هایی می‌شوند. ذخیره‌سازی انرژی الکتریکی موجب به وجود آمدن تعادل بین دو بازه زمانی کم مصرف و پر مصرف خواهد شد و از این جهت میزان صرفه‌جویی عاید از ذخیره‌سازی انرژی هزینه‌های اجرای آن را جبران می‌کند. یکی دیگر از راهکارهای ایجاد تعادل در تولید و مصرف سازگار کردن میزان مصرف با میزان تولید با استفاده از ایجاد تعرفه‌های متفاوت زمانی برای مصرف‌کننده‌هاست.
1-9 پیش‌بینی پذیری
با توجه به تغییرات باد قابلیت پیش‌بینی محدودی (ساعتی یا روزانه) برای خروجی نیروگاه‌های بادی وجود دارد. مانند دیگر منابع انرژی تولید باد نیز باید از قابلیت برنامه ریزی برخوردار باشد اما طبیعت باد این پدیده را ذاتاً متغیر می‌کند. گرچه از روش‌هایی برای پیش‌بینی تولید توان این نیروگاه‌ها استفاده می‌شود اما در کل قابلیت پیش‌بینی پذیری این نیروگاه‌ها پایین است. این عیب این گونه نیروگاه‌ها معمولاً باستفاده از روش‌های ذخیره سازی انرژی مانند استفاده از نیروگاه‌های آب تلمبه‌ای تا حدودی بر طرف می‌شود.
1-10 باد و محیط زیست
در سال 1970، ذخایر نفت بر توسعة منابع جایگزین انرژی فشار آورد. در سال 1990، از دیدگاه تجدیدپذیری محیط زیست، در برابر مطالعة دانشمندان که نشاندهندة تغییرات بالقوة آب و هوای جهانی درصورت افزایش استفادة مداوم از سوخت‌های فسیلی فشاری نیز بوجود آمد. انرژی بادی یک گزینة اقتصادی و راهبردی برای دستگاههای نیروی سنتی در بسیاری از نواحی کشور ارائه می‌دهد، باد سوخت پاکی است و مزارع بادی از آنجا که هیچ سوختی را نمی‌سوزانند، هیچ آلودگی آبی یا هوایی نیز ایجاد نمی‌کنند.
جدی ترین آسیب زیست محیطی ماشینهای بادی شاید تأثیر منفی آنها روی جمعیت پرندگان وحشی و بر خود دیداری غیرطبیعی در چشم انداز محیط زیست باشد، برای برخی افراد، برق زدن تیغه‌های آسیابهای بادی در افق می‌تواند آزار دهنده باشد و برای برخی دیگر آنها جایگزین زیبایی برای دستگاههای نیروی سنتی هستند. برخی از توربین‌های بادی موجب کشته شدن پرنده‌ها به ویژه پرنده‌های شکاری می‌شوند البته مطالعات نشان می‌دهد که تعداد پرنده‌های کشته شده توسط توربین‌های بادی در مقابل عوامل انسانی دیگر کشته شدن پرندگان مانند خطوط برق، ترافیک، شکار، ساختمان‌های بلند و به ویژه استفاده از منابع آلوده انرژی تعداد بسیار ناچیزی است؛ برای مثال در انگلستان که در آن چندین هزار توربین بادی وجود دارد تقریباً در هر سال تنها یک پرنده در هر توربین کشته می‌شود در حالی که تنها در اثر آثار مخرب استفاده از خودروها هر سال در حدود ۱۰ میلیون پرنده کشته می‌شوند. در ایالات متحده توربین‌ها هر سال در حدود ۷۰٬۰۰۰ پرنده را می‌کشند که در مقابل ۵۷ میلیون پرنده کشته شده در اثر استفاده از خودروها یا ۹۷٫۵ میلیون پرنده کشته شده در اثر برخورد با شیشه‌ها مقدار اندکی است. مقاله‌ای در رابطه با طبیعت اظهار داشته که هر توربین به طور متوسط هر سال ۰٫۰۳پرنده یا به عبارتی ۱ پرنده در طول ۳۰ سال می‌کشد.
1-11 انتشار آلودگی
توربین‌ها بادی برای راه‌اندازی و بهره‌برداری نیاز به هیچ گونه سوختی ندارند و بنابراین در قبال انرژی الکتریکی تولید آلودگی مستقیمی ایجاد نمی‌کنند. بهره‌برداری از این توربین‌ها دی‌اکسید کربن, دی‌اکسید گوگرد, جیوه، ذرات معلق یا هیچ گونه عامل آلوده کننده هوا تولید نمی‌کند. اما توربین‌ها بادی در مراحل ساخت از منابع مختلفی استفاده می‌کنند. در طول ساخت نیروگاه‌های بادی باید از موادی مانند فولاد, بتن, آلمینیوم و… استفاده کرد که تولید و انتقال آنها نیازمند مصرف انواع سوخت‌هاست. دی‌اکسید کربن تولید شده در این مراحل پس از حدود ۹ ماه کار کردن نیروگاه جبران خواهد شد.
نیروگاه‌های سوخت فسیلی که برای تنظیم برق تولیدی در نیروگاه‌های بادی مورد استفاده قرار می‌گیرند موجب ایجاد آلودگی خواهند شد: بعضی از اوقات به این نکته اشاره می‌شود که نیروگاه‌های بادی نمی‌توانند میزان دی‌اکسید کربن تولیدی را کاهش دهند چراکه برق تولیدی از طریق نیروگاه بادی به دلیل نامنظم بودن همیشه باید به وسیله یک نیروگاه سوخت فسیلی پشتیبانی شود. نیروگاه‌های بادی نمی‌توانند به طور کامل جایگزین نیروگاه‌های سوخت فسیلی شوند اما با تولید انرژی الکتریکی مبنای تولیدی نیروگاه‌های حرارتی را کاهش داده و از تولید آنها می‌کاهند که به این ترتیب میزان انتشار دی‌اکسید کربن کاهش می‌یابد.
1-12 مزارع بادی
انتخاب مکان مناسب برای نصب نیروگاه بادی و جهت نصب توربین‌ها در محل از نکات حیاتی برای توسعه اقتصادی این گونه نیروگاه‌هاست. گذشته از دسترسی باد مناسب در محل مورد بحث، عوامل مهم دیگری مانند دسترسی به خطوط انتقال، قیمت زمین مورد استفاده، ملاحظات استفاده از زمین و مسائل زیست محیطی ساخت و بهره‌برداری نیز در انتخاب یک محل برای نصب نیروگاه‌ها موثر است. از این رو استفاده از نیروگاه‌های بادی در مناطق دور از ساحل ممکن است هزینه‌های مربوط به ساخت یا ضریب ظرفیت را با استفاده از کاهش هزینه‌های تولید برق جبران کنند.
1-12-1 استفاده از زمین
توربین‌های بادی باید ده برابر قطرشان در راستای باد غالب و پنج برابر قطرشان در راستای عمودی از هم فاصله داشته باشند تا کمترین تلفات حاصل شود. در نتیجه توربین‌های بادی تقریباً به ۰٫۱ کیلومترمربع مکان خالی به ازای هر مگاوات توان نامی تولیدی نیازمند هستند. معمولاً برای نصب این توربین‌ها نیازی به پاکسازی درختان منطقه نیست. کشاورزان می‌توانند برای ساخت این توربین‌ها زمین‌های خود را به شرکت‌های سازنده اجاره می‌دهند. در ایالات متحده کشاورزان حدود ۲ تا ۵ هزار دلار به ازای هر توربین در هر سال دریافت می‌کنند. زمین‌های مورد استفاده قرار گرفته برای توربین‌های بادی همچنان می‌توانند برای کشاورزی و چرای دام مورد استفاده قرار بگیرند چراکه تنها ۱٪ از زمین برای ساخت پی توربین و راه دسترسی مورد استفاده قرار می‌گیرد و به عبارت دیگر ۹۹٪ زمین هنوز قابل استفاده‌است.
توربین‌های بادی عموماً در مناطق شهری نصب نمی‌شوند چراکه ساختمان‌ها جلوی وزش باد را سد می‌کنند و قیمت زمین نیز معمولاً زیاد است. با این حال پروژه نمایشی تورنتو اثبات کرد که نصب توربین‌های بادی در چنین مکان‌هایی نیز ممکن است.
1-13 برق بادی در مقیاس‌های کوچک
تجهیزات تولید برق بادی در مقیاس کوچک (۱۰۰ کیلووات یا کمتر) معمولاً برای تغذیه منازل، زمین‌های کشاورزی یا مراکز تجاری کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرد. در برخی از مکان‌های دور افتاده که مجبور به استفاده از ژنراتورهای دیزلی هستند مالکان محل ترجیح می‌دهند که از توربین‌های بادی استفاده کنند تا از ضرورت سوزاندن سوخت‌ها جلوگیری شود. در برخی موارد نیز برای کاهش هزینه‌های خرید برق یا برای استفاده برق پاک از این توربین‌ها استفاده می‌شود.
برای تغذیه منازل دورافتاده از توربین‌های بادی با اتصال به باتری استفاده می‌شود. در ایالات متحده استفاده از توربین‌های بادی متصل به شبکه در رنج‌های ۱ تا ۱۰ کیلووات برای تغذیه منازل به طور فزاینده‌ای در حال گسترش است. توربین‌های متصل به شبکه در هنگام کار نیاز به استفاده از برق شبکه را از بین می‌برند. در سیستم‌های جدا از شبکه یا باید از برق به صورت دوره‌ای استفاده کرد و یا از باتری برای ذخیره‌سازی انرژی استفاده کرد.
در مناطق شهری که امکان استفاده از باد در مقیاس‌های زیاد وجود ندارد نیز ممکن است از انرژی بادی در کاربردهای خاصی مانند پارک مترها یا درگاه‌های بی‌سیم اینترنت با استفاده از یک باتری یا یک باتری خورشیدی استفاده شود تا ضرورت اتصال به شبکه از بین برود.
1-14 پتانسیل انرژی بادی در محیط های شهری
در این بخش، پتانسیل انرژی بادی برای تولید برق در مناطق مسکونی مورد توجه قرار می گیرد. تا ابتدای قرن 21 تولید برق بادی محدود به مناطق غیر مسکونی و دارای سرعت میانگین باد بالا بوده است ولی در دهه گذشته صنعت دیگری با نام صنعت توربین های بادی کوچک3 در اروپا به وجود آمده و گسترش قابل ملاحظه ای یافته است. تولید برق در محل مصرف آن و در نتیجه حذف هزینه های انتقال نیرو و تلفات ناشی از شبکه از مهمترین مزایای این ایده به حساب می آید. علاوه بر این نیاز به برق در مناطق شهری و قابلیت استفاده از سازه های موجود به عنوان برج توربین جذابیت این صنعت را



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید